文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.06.007
中文引用格式： 劉青龍，董家山. 短波廣域分集技術(shù)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(6)：25-29，33.
英文引用格式： Liu Qinglong，Dong Jiashan. Research on HF wide area diversity technology[J].Application of Electronic Technique，2016，42(6)：25-29，33.
0 引言
短波通信作為一種可以不依賴于易被摧毀的固定基礎(chǔ)設(shè)施的通信手段，具有通信距離遠、機動靈活、組網(wǎng)便捷等優(yōu)點，其能力的發(fā)展和提高可以為“海、陸、空、天”一體化協(xié)同作戰(zhàn)提供重要的基礎(chǔ)能力支撐。
由于短波通信依賴于不穩(wěn)定的大氣電離層反射，短波信道存在時變色散、衰落和干擾嚴重等特點。同時，隨著短波頻段面臨的電磁環(huán)境不斷惡化和遠距離、高動態(tài)戰(zhàn)場環(huán)境的通信需要，提高短波通信的可通率和通信質(zhì)量迫在眉睫。隨著分集接收技術(shù)應(yīng)用日益廣泛，將短波通信與空間分集接收技術(shù)相結(jié)合的短波廣域分集接收技術(shù)是一種重大的應(yīng)用創(chuàng)新。該技術(shù)在我國不具備完備的衛(wèi)星通信網(wǎng)背景下，對提高我國軍用通信系統(tǒng)安全具有重要意義。
分集技術(shù)是針對包含相同信息、經(jīng)過多個相互獨立路徑傳輸?shù)亩嗦沸盘枌嵤┖喜⑻幚恚赃_到減小各種衰落、提高抗干擾能力的目的。不論是在民用還是在軍事裝備中，分集技術(shù)的應(yīng)用都非常廣泛。在軍事領(lǐng)域，針對隱身技術(shù)日漸完善的隱形飛行器，現(xiàn)有常規(guī)雷達對高速、超高速目標的捕獲顯得捉襟見肘。外軍現(xiàn)役先進雷達裝備通過引入分集接收技術(shù)來提高對太空和臨近空間快速目標的探測能力，如外軍裝備的反隱身MIMO米波雷達就是將諧振效應(yīng)與分集接收技術(shù)相結(jié)合。此外，在防空系統(tǒng)的建設(shè)中，使雷達陣地發(fā)揮分集接收功能、并與導(dǎo)彈陣地相隔較遠距離，不但可以大大提高雷達探測精度和抗干擾能力，還可以提高導(dǎo)彈陣地的抗打擊能力。此外，NASA還將天線陣空間分集接收技術(shù)應(yīng)用于具有極低信噪比的深空探測，獲得了高質(zhì)量的語音和圖像信息。在民用領(lǐng)域，蜂窩移動通信系統(tǒng)中就廣泛應(yīng)用了分集接收技術(shù)，如RAKE接收機、MIMO、協(xié)同分集接收技術(shù)等。分集技術(shù)另一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域就是現(xiàn)有的高速鐵路通信系統(tǒng)，如我國上海運營的磁懸浮車地通信系統(tǒng)。
短波廣域分集接收就是利用多個相距較遠的、通過有線互聯(lián)的短波固定臺站，將不同地域空間和不同極化天線所接收的短波信號，通過實時匯聚和合并解調(diào)，有效提升短波話音鏈路的穩(wěn)定性和可靠性[1-2]。圖１是基于軟值合并的多天線地空短波分集接收技術(shù)框圖。移動臺通過聲碼話設(shè)備將編碼后的數(shù)據(jù)通過短波電臺發(fā)送出去。地面各個短波臺站進行同步頭捕獲與頻率校正、信道均衡與解調(diào)軟值操作。由于需要對多路信號進行分集合并處理，信號的匯集方式包括IP網(wǎng)、數(shù)據(jù)專線和電話公網(wǎng)等多種方式[1]，可以根據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的要求進行合理選擇。在匯聚端，對各路信號通過同步信息進行時延校正，并對各路解調(diào)軟值數(shù)據(jù)進行合并處理，從而提高系統(tǒng)接收性能。這樣的合并處理方式可以有效處理各路信號到達匯聚點時延遲不一的問題。
1 短波廣域分集接收特點及難點
1.1 短波廣域分集接收特點
分集接收技術(shù)是發(fā)端將信號分散傳輸、收端集中處理、從而減少多徑衰落影響的技術(shù)。目前，主要的分集接收技術(shù)包括空間分集、頻率分集、極化分集、角度分集、時間分集等。短波廣域分集接收主要用到的是下行信道（移動臺到固定臺）的空間分集和上行信道（固定臺到移動臺）的頻率分集。在下行信道上，由于多個不同短波臺站間的間隔距離足夠遠，不同天線接收信號是相互獨立的，根據(jù)不同信道間信息的互補來增強接收效果。在上行信道上，將信源信息調(diào)制到載頻間隔足夠?qū)挼牟煌d波上進行傳輸，從而獲得衰落特性相互獨立的多路信號。
根據(jù)匯聚端對多路信號合并的方式不同可以分為三種：選擇式合并、等增益合并和最大比合并。這三種合并方式的復(fù)雜度和獲得的分集增益都是有所差異的。
選擇式合并是從接收到的多路信號中選擇信噪比最大的一路信號輸出，該合并方式算法復(fù)雜度低，易于實現(xiàn)。但是只利用了多路信號中的一路信號，分集增益低。
相比之下，等增益合并和最大比值合并均對多路信號進行了合并處理，分集效果更加明顯。等增益合并是對各路信號對齊后作等系數(shù)加權(quán)合并處理，算法復(fù)雜度較低，可以提高接收性能。但缺點是，當存在某一路或者多路信號的信噪比很低時，會導(dǎo)致分集合并性能急劇下降，甚至可能低于選擇性合并。
最大比值合并則依據(jù)各路信號的信噪比分配不同的加權(quán)系數(shù)，再對各路信號進行加權(quán)合并處理，從而最大化接收信號信噪比。但缺點是算法實現(xiàn)復(fù)雜，同時需要實時、動態(tài)、精確地測定各條信道的信噪比來準確地分配加權(quán)系數(shù)，從而最大化接收性能。
由于短波信道具有多徑衰落嚴重、信道時變特性復(fù)雜、干擾復(fù)雜等特點，在短波廣域分集接收設(shè)計中需要考慮將選擇性合并與最大比合并相結(jié)合，實現(xiàn)有選擇的最大比合并更能充分發(fā)揮短波分集接收系統(tǒng)的性能[1]。有選擇的最大比合并的一般步驟是：
(1)設(shè)定可以滿足數(shù)據(jù)傳輸速率要求的信噪比門限值SNRO；
(2)對于N條信道，估計各信道si的瞬時信噪比|si| (1≤i≤N)，并與信噪比門限值SNRO作比較；
(3)選出參與最大比合并的信道集合：
實施最大比值合并。
實施有選擇的最大比合并可以將選擇性合并和最大比合并各自的優(yōu)勢相結(jié)合，避免由于短波信道的時變衰落特性造成各信道質(zhì)量的較大差異，影響分集合并的效果。
由于短波廣域分集接收中的同構(gòu)天線間距很大，幾十到幾千公里不等，能夠很好地保證各天線所接收到的信號衰落的獨立性；同時，由于短波地面接收臺站分布地域的寬廣，隨著分集重數(shù)的增加，短波通信的可通率也會得到極大提高，從而有效提高短波通信的可靠性。據(jù)統(tǒng)計[2，3]，當收端天線分別位于我國北京、西安、重慶、廣州，發(fā)端電臺位于南京時的四重分集接收，短波通信的可通率可以達到96%以上，遠高于無分集方式的可通率，有效提高了短波通信的通信效能。
1.2 短波廣域分集接收技術(shù)難點
(1)短波模擬話音通信在缺乏聲碼話設(shè)備的條件下，將不同地域空間和不同極化天線所接收的短波模擬話音信號實施分集合并接收是短波廣域分集接收技術(shù)的難點之一。針對短波模擬信號的特性，主要采用選擇性合并分集接收技術(shù)來提升話音鏈路的話音質(zhì)量和穩(wěn)定性。實施的技術(shù)難點包括：①短波信道帶噪語音信號的端點檢測；②短波語音信號的質(zhì)量評價；③短波語音信號的優(yōu)選切換。
(2)短波廣域分集接收需要對不同地域所接收到的信號匯聚后作集中合并處理。然而，信號的匯聚可以通過IP網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)專網(wǎng)等多種方式，所獲得的傳輸時延也是不盡相同，進而影響到合并后信號的整體傳輸時延。對于一些延時要求低的應(yīng)用（如短報文等），信號匯聚所帶來的傳輸時延對其無大的影響，但是對有延時要求的話音通信等，會直接影響其服務(wù)質(zhì)量。因此，對于各路參與合并的信號，需要通過具有QoS意識的路由技術(shù)、基于延時限制的軟信息動態(tài)合并技術(shù)等來滿足對服務(wù)質(zhì)量的要求。
(3)由于短波天波傳輸主要依靠電離層的反射來實現(xiàn)遠距離通信，依據(jù)短波信道的特性，短波通信的最佳工作頻率為可用頻率窗口中的最高頻率。在這種情況下，短波的散射路徑最少，接收信噪比最高。然而，在實際的短波通信測試中發(fā)現(xiàn)，由于電離層的特性會隨晝夜變化、太陽黑子活動、季節(jié)等變化，部分地域會成為信號盲區(qū)。因而，短波廣域分集接收技術(shù)需要短波經(jīng)電離層的散射路徑盡可能多，從而需要調(diào)低工作頻率。由此帶來的弊端是接收端信噪比的降低。如何在最佳工作頻率和最佳的分集增益間進行合理的折中是工作頻率調(diào)整的一個難點。
2 國內(nèi)外研究概況
短波廣域分集接收旨在通過廣域有線互聯(lián)的多個短波臺站接收經(jīng)電離層反射和散射的短波信號，然后合并處理來提高短波信道的抗衰落和抗干擾性能。盡管已經(jīng)有大量研究工作集中于將MIMO技術(shù)應(yīng)用于VHF~SHF頻段，以利用有限的頻譜來提高數(shù)據(jù)傳輸速率[4-6]。然而，由于短波波長在10 m~100 m之間，相比于MIMO應(yīng)用于其他頻段，所需的天線尺寸較大，使用間隔的天線陣來應(yīng)用MIMO技術(shù)受到了較大的限制，MIMO技術(shù)領(lǐng)域新的研究進展也難于直接應(yīng)用于短波頻段[7]。幸運的是，短波廣域分集接收技術(shù)卻不受這些限制的影響，可以充分發(fā)揮分集技術(shù)的優(yōu)勢，國內(nèi)外在該領(lǐng)域已經(jīng)取得了可喜的研究進展，有效改善了短波通信的可靠性和抗干擾性能。
2.1 國內(nèi)研究概況
在國內(nèi)，電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國家級重點實驗室最早對短波MIMO相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)開展實驗驗證工作。2004年，張熙瑜、聶在平等人對MIMO多天線系統(tǒng)展開了深入研究，在國內(nèi)首次提出了分布式開關(guān)陣列天線來均衡各分集支路接收到的信號強度，從而最大化分集合并增益[8]；朱鵬、唐萬斌等人展開了對短波MIMO信道相關(guān)性的測量研究，并給出了短波MIMO信道測量的實現(xiàn)方案[9]；王運健、李少謙等人對短波系統(tǒng)中采用OFDM-MIMO通信系統(tǒng)展開了研究，嘗試了導(dǎo)頻訓(xùn)練序列來實施信道估計[10]；王民建、雷霞等人基于MIMO OFDM短波通信系統(tǒng)實現(xiàn)了基于擴頻滑動相關(guān)的短波信道參數(shù)測量的研究工作，并針對實際無線傳輸干擾問題展開了干擾抑制研究[11]；劉吉、雷霞等人面向第三代短波通信標準，研究了基于分布式天線的短波語音分集接收方案來解決短波信道下語音可靠傳輸問題[12]。此外，上海交通大學(xué)王若擎、錢良等人針對短波MIMO通信系統(tǒng)研究了預(yù)編碼技術(shù)來消除用戶間的干擾等[13]。
除了大學(xué)的相關(guān)研究成果外，國內(nèi)部分企業(yè)（如南京熊貓漢達科技有限公司等）在短波分集接收領(lǐng)域也開展了大量卓有成效的實驗驗證工作。王崢等對分集接收技術(shù)用于對抗短波信道衰落做了仿真分析并進行了實驗驗證，展示出良好的分集接收效果[3]。信長安探討了在短波組網(wǎng)條件下實現(xiàn)短波分集接收的設(shè)計問題，并給出了相關(guān)的優(yōu)化和設(shè)計方法[2]。王欽玉等對短波分集接收技術(shù)建立了相應(yīng)的通信模型和軟件仿真。實際的天波通信試驗表明，MIMO短波通信可以將傳統(tǒng)的點對點短波通信可通率由17%提升至96%，顯著提升了短波通信的傳輸效能[14]。此外，中國電子科技集團公司第三十六研究所李堅等人提出了一種短波分集接收方案來提升短波猝發(fā)通信系統(tǒng)性能。實驗結(jié)果表明，該方案在1 000 km通信距離、猝發(fā)發(fā)射功率100 W的條件下，采用5重分集接收可以有效提高猝發(fā)通信信號的捕獲概率和接收信號的信噪比[15]。
2.2 國外研究概況
多輸入、多輸出系統(tǒng)（MIMO）作為傳統(tǒng)天線陣通信的自然延伸和擴展，國外學(xué)者已經(jīng)從信息論容量的角度對其進行過深入研究，證實了其容量增益和空分復(fù)用效果[16-20]。盡管短波存在的多徑傳輸問題非常適合于MIMO技術(shù)的應(yīng)用，但受限于傳統(tǒng)短波天線尺寸較大的緣故，使之不便于MIMO技術(shù)的直接應(yīng)用。2008年，國外首次對短波MIMO應(yīng)用展開了測試實驗，發(fā)站位于英國達拉謨（Durham）、收站分別位于距離達拉謨255 km的英國萊斯特（Leicester）和距離達拉謨743 km的法國蒙特菲爾（Monterfil），采用4重發(fā)射天線和8重接收天線并實驗了不同類型的天線陣。實驗證實了：(1)在發(fā)射信號和在不同天線上接收到的信號間的相關(guān)度足夠低的情況下，短波頻段采用MIMO技術(shù)可以取得高容量增益；(2)異構(gòu)天線陣可以取代天線間相隔距離較遠的同構(gòu)天線陣、并取得相近似的容量增益[7]。此后，大量的研究工作朝這兩個方向展開。通過MIMO技術(shù)來抑制雜波，加拿大的研究機構(gòu)實驗證實了短波MIMO視距外雷達的可行性和有效性[23]。文獻[24]在實驗驗證了短波MIMO應(yīng)用緊湊型交叉極化天線陣的可行性前提下，基于已有的單天線MIL-STD-188-110C-Appendix-D寬帶短波標準，設(shè)計了新的短波MIMO物理層。仿真結(jié)果表明，與單天線模式相比，該新標準可以提高整體吞吐率116%、提高信噪比15 dB。文獻[25]介紹了短波近垂直天波傳輸在救災(zāi)等指揮通信中的應(yīng)用，并通過實驗證明，相比于線性極化天線，環(huán)形極化天線能更有效地抑制多徑衰落的影響，從而可以有效提高各類短波分集接收系統(tǒng)的整體性能。針對視距外短波通信，文獻[26]提出了一種基于隨機空時編碼的物理層節(jié)點協(xié)同方法，從而獲得類似于MIMO系統(tǒng)的分集增益。仿真實驗證實了該方法的能量效率和分集增益。文獻[27]針對短波MIMO OFDM系統(tǒng)提出了一種時間和頻率同步算法。仿真結(jié)果證明，即使在低信噪比條件下，該方法依然可以顯著提高系統(tǒng)同步性能，并且時域內(nèi)可以快速收斂。文獻[28]通過將發(fā)送的極化分集替代傳統(tǒng)的空間分集，提出了一種短波超視距的數(shù)字傳輸方法。通過280 km遠的短波傳輸實驗表明，在4.2 kHz的帶寬上可以取得最高24.09 kb/s的傳輸速率。
此外，隨著網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域一些提高網(wǎng)絡(luò)吞吐率的新技術(shù)的出現(xiàn)，如網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)[29]等，創(chuàng)新性地將MIMO與網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)相結(jié)合可以使系統(tǒng)更加有效地對抗衰落信道、獲得更高的傳輸速率[30]。
3 短波廣域分集接收關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢
3.1 關(guān)鍵技術(shù)
為實現(xiàn)短波廣域分集接收系統(tǒng)的性能增益，需要研究以下的關(guān)鍵技術(shù)。
3.1.1 分集合并技術(shù)
對來自遠端的多路接收信號通過組網(wǎng)方式匯集、并將基于解調(diào)數(shù)據(jù)的軟值合并基本步驟是：
(1)對各支路基帶音頻信號進行檢測和同步；
(2)依據(jù)各路信號的信噪比和幅度信息，對各條支路信號分配不同的加權(quán)系數(shù)；
(3)對加權(quán)后的各支路信號相加合并。
單純的分集合并算法包括選擇合并、等增益合并和最大比值合并。在短波廣域分集接收系統(tǒng)中，出于對復(fù)雜度的限制和高分集增益的要求，一般采用的是組合合并技術(shù)[31]。常見的組合合并方式是將選擇合并（SC）與最大比值合并（MRC）或等增益合并（EGC）相結(jié)合，對從所有鏈路中選出的部分鏈路實施最大比合并或者等增益合并。
3.1.2 模擬話音質(zhì)量打分與切換
在短波模擬話音分集接收系統(tǒng)中，當缺少聲碼話設(shè)備時，需要通過選擇性分集合并接收來提高話音鏈路的話音質(zhì)量和穩(wěn)定性。由于短波的天波傳輸受到電離層的影響較大，多徑衰落、干擾、噪聲等均會對信號的接收造成影響。為此，可以概括為三項主要的關(guān)鍵技術(shù)：
(1)帶噪語音端點檢測技術(shù)：從含噪聲的語音信號中確定出語音信號的起始點及結(jié)束點。目前主要有基于模型與基于特征兩類端點檢測方法；
(2)語音質(zhì)量評價技術(shù)：主要從語音質(zhì)量的特征參數(shù)（如響度、信噪比、串音等）角度來加以綜合評價；
(3)語音信號優(yōu)選切換技術(shù)：通過對各支路語音信號信號質(zhì)量的準確評價，動態(tài)地切換至語音質(zhì)量更好的信道。
3.1.3 具有服務(wù)質(zhì)量意識的等待匯集技術(shù)
在短波廣域分集接收系統(tǒng)中，需要對多個不同地域空間和不同極化天線所接收到的短波信號通過網(wǎng)絡(luò)傳輸并匯聚至中心站點進行合并處理。由于經(jīng)過不同路徑的傳輸，到達中心合并站點的延時也不相同。為了確保語音信號的服務(wù)質(zhì)量（QoS），當各支路信號中的某一路信號到達中心合并站點后，需要確定一個等待時間的門限tT，從而在QoS和分集增益間取得一個合理的折中，該問題可以歸結(jié)為求解如下的一個最優(yōu)化問題：
在式(1)中，ΔC(t)表示在等待匯聚時間t后所能獲得的分集增益；Δw(t)表示在等待匯聚時間t后在QoS上所付出的代價；優(yōu)化目標即為，在滿足語音信號QoS要求的條件下，確定等待匯聚時間t，使得在單位QoS損失的條件下取得最大的分集增益。
3.1.4 具有QoS意識的路由技術(shù)
在短波廣域分集接收系統(tǒng)中，由于多個短波地面臺站所接收到的信號通過網(wǎng)絡(luò)、經(jīng)不同的路徑加以傳輸，所產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)延時也是不一樣的。具有QoS意識的路由技術(shù)可以通過動態(tài)地獲取網(wǎng)絡(luò)擁塞情況來選擇合適的路由，從而有助于提高分集增益和語音質(zhì)量。
3.2 發(fā)展趨勢
對于短波廣域分集接收系統(tǒng)未來的發(fā)展，主要表現(xiàn)出以下幾個方面的發(fā)展趨勢。
3.2.1 采用緊湊的異構(gòu)天線陣技術(shù)
在短波廣域分集接收領(lǐng)域，為保證各短波地面臺站天線所接收的信號衰落的獨立性，國內(nèi)研究機構(gòu)所開展的相關(guān)研究工作主要是基于相距足夠遠的、位于不同地域的、多個同構(gòu)短波通信天線所接收到的信號進行合并接收，從而大大限制了分集的重數(shù)和分集增益。由于異構(gòu)天線陣可以取代天線間相隔距離較遠的同構(gòu)天線陣、并取得相近似的容量增益[7]，由此可以帶來分集重數(shù)和分集增益的大幅提升，也是未來應(yīng)用的趨勢。
3.2.2 實施分層混合合并技術(shù)
對于單純的分集合并技術(shù)(如最大比和等增益合并)會隨著分集重數(shù)的增加，其計算開銷也會隨之增大；選擇合并盡管算法復(fù)雜度低，但分集效率低下。通過將不同的分集合并算法加以組合，可以取得對分集合并性能和計算復(fù)雜度間的合理折中。
隨著緊湊的異構(gòu)天線陣在國外短波分集接收系統(tǒng)中的成功應(yīng)用[21-22]，可以通過諸如先對分布在不同地域的、應(yīng)用異構(gòu)天線陣的若干短波臺站實施最大比合并，然后匯聚至中心合并站點實施選擇合并。此類分層混合合并方式類似于“微分集”和“宏分集”的思想，可以有效提高短波廣域分集合并系統(tǒng)整體性能，是未來的一個發(fā)展趨勢。
3.2.3 節(jié)點協(xié)同分集接收
由于節(jié)點間的協(xié)同分集可以擴大短波分集接收系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，降低各分集接收短波臺站所接收到的信號經(jīng)有線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难訒r，是作為天線分集接收系統(tǒng)的一類重要補充。節(jié)點協(xié)同分集利用了無線傳輸?shù)膹V播特性，并通過協(xié)同節(jié)點創(chuàng)造出“虛擬”的分布式天線，從而獲得空間分集增益。
3.2.4 分集合并技術(shù)與其他新技術(shù)相結(jié)合
隨著一些通信新技術(shù)的出現(xiàn)，如網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)[29]、功率分配技術(shù)[32]等的出現(xiàn)，在短波廣域分集接收系統(tǒng)中將分集合并接收與其他新技術(shù)的相互結(jié)合，以進一步提高短波通信系統(tǒng)的性能是未來一個重要的發(fā)展方向。
4 結(jié)束語
本文較詳細地介紹了短波廣域分集接收系統(tǒng)的特點以及實現(xiàn)的技術(shù)難點。同時，對短波廣域分集接收系統(tǒng)當前的國內(nèi)外發(fā)展狀況做了詳盡介紹與對比。最后，介紹了短波廣域分集接收系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)并指出了其未來的發(fā)展趨勢。
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